Gli scienziati della TU Delft hanno scoperto come le cellule microalgali confinate crescono in modo ottimale nei materiali viventi ingegnerizzati fotosinteticamente. Utilizzando l'energia luminosa, le microalghe convertono la CO2 dall'aria in zuccheri, energia e ossigeno per la loro sopravvivenza. Tali materiali viventi a base di alghe potrebbero essere utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, da oggetti funzionali per la CO2 cattura, a fonti di ossigeno per i tessuti biologici.
Il team, guidato da Marie-Eve Aubin-Tam e Kunal Masania, ha presentato le sue nuove conoscenze in Materiali avanzati .
"I materiali viventi ingegnerizzati (ELM) sono una nuova entusiasmante classe di materiali che hanno il potenziale per rivoluzionare la società", spiega il biofisico Aubin-Tam. "Un esempio sono i materiali viventi fotosintetici, in cui crescono organismi che effettuano la fotosintesi attiva."
In natura molti batteri, alghe e piante effettuano la fotosintesi; assorbono CO2 , acqua e luce e producono zuccheri per sopravvivere. “Abbiamo studiato gli ELM con alghe fotosintetizzanti, che potrebbero infine essere utilizzate per fornire ossigeno ai tessuti biologici o ingegnerizzati, dove l’apporto di ossigeno è spesso un fattore limitante per la crescita”. L'ingegneria artificiale dei tessuti biologici è particolarmente importante data la crescente necessità di trapianti di organi.
"Una delle principali limitazioni che impedisce l'utilizzo di questi materiali su larga scala è che attualmente non sappiamo come controllare la crescita delle cellule in questi materiali. Questo è ciò che abbiamo studiato. Abbiamo studiato come avviene la crescita delle cellule influenzato dalla forma del materiale, dall'esposizione alla luce e dall'accesso ai nutrienti e alla CO2 ," dice Aubin-Tam.
"Siamo stati anche in grado di dimostrare che le cellule crescevano prevalentemente lungo i bordi del materiale dove hanno un migliore accesso all'aria e alla luce", aggiunge Jeong-Joo Oh, primo autore dell'articolo. I ricercatori hanno scoperto che una struttura sottile con un’ampia superficie aumenta l’efficienza degli ELM. In questi la porzione relativamente grande delle cellule si trova lungo i bordi e quindi in prossimità dell'aria.
È interessante notare che la natura è giunta alla stessa conclusione, poiché la crescita cellulare nell’ELM corrisponde alla struttura della foglia di una pianta. Le foglie dimostrano una struttura sottile con un'ampia superficie per consentire a gran parte delle cellule di essere esposte alla luce solare.
"Nei nostri risultati, illustriamo l'accessibilità alla luce e alla CO2 è la chiave. L'introduzione di una piccola apertura per lo scambio di gas nelle strutture ha migliorato visibilmente la crescita cellulare negli strati interni. Ciò va però a scapito di una disidratazione accelerata, che in definitiva non è positiva per le cellule", afferma lo scienziato dei materiali Masania.
Anche questo comportamento è analogo alla natura. Le foglie hanno fori molto piccoli, chiamati stomi. "Come cancelli, le foglie aprono i loro stomi per migliorare lo scambio di gas senza lasciare fuoriuscire troppa acqua. Meccanismi che rispondono a una carenza di CO2 , come gli stomi di una foglia, sarebbero di grande beneficio per gli ELM fotosintetici e ne aumenterebbero la longevità e l'efficienza in futuro," afferma Masania.
In questa ricerca, il team ha studiato diverse forme di materiali e la loro influenza sulla crescita delle cellule. "Per consentire ciò, dovevamo progettare una nuova composizione dell'inchiostro, il materiale che esce dalla stampante. Stavamo cercando un nuovo inchiostro che ci permettesse di stampare oggetti più grandi e complessi", spiega Aubin-Tam.
Mentre il suo gruppo presso la facoltà di Scienze Applicate studiava la crescita delle cellule, Masania, della facoltà di Ingegneria Aerospaziale, ha deciso di contribuire allo sviluppo di un nuovo inchiostro stampabile in 3D. Insieme a Elvin Karana della facoltà di Ingegneria del Design Industriale, hanno esplorato le possibilità di produrre strutture 3D di materiali fotosintetici viventi per applicazioni future.
"Lo studio della crescita cellulare all'interno degli ELM è fondamentale per il loro utilizzo efficiente e la funzionalità ottimizzata", conclude Aubin-Tam. "Speriamo che il nostro lavoro possa motivare biologi, scienziati dei materiali, informatici e ingegneri a studiare ulteriormente la crescita cellulare e le proprietà di questa nuova classe di materiali."
Ulteriori informazioni: Jeong‐Joo Oh et al, Crescita, distribuzione e fotosintesi di Chlamydomonas Reinhardtii in idrogel 3D, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202305505
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dall'Università della Tecnologia di Delft
